¿Qué es una antena monopolo? Guía completa

La antena monopolo es un hito importante en el campo de la comunicación inalámbrica. Es una de esas piezas que quizá no tenga en cuenta con frecuencia, pero que está presente en todo, desde el teléfono móvil de su bolsillo hasta la radio de su coche. En este artículo exploraremos el mundo de las antenas monopolo, destacando cómo se han adaptado hasta convertirse en un componente necesario de la vida cotidiana.

Al principio, entender los fundamentos del funcionamiento de una antena monopolo puede parecer difícil, pero estamos aquí para hacerlo fácil. La eficiencia y la sencillez son características clave de estas antenas, que ofrecen una opción asequible para una gran variedad de usos.

Este artículo ofrece una revisión exhaustiva de las antenas monopolo, sus orígenes históricos, tipos de antena, estructura y elementos de diseño, así como la importante función que desempeñan en las redes de comunicación modernas. Además, se analizan las ventajas, inconvenientes y usos particulares de las antenas monopolo. Vamos a estudiar cómo estos dispositivos captan y envían señales, permitiéndonos estar conectados de más formas de las que pensamos.

Historia de la antena monopolo

La antena monopolo, conceptualizada inicialmente a finales del siglo XIX, tiene su origen en las investigaciones pioneras de Guglielmo Marconique utilizó las primeras versiones del concepto de monopolo en sus revolucionarios estudios sobre telegrafía inalámbrica. Durante más de un siglo, las antenas monopolo han sido esenciales en la industria de las comunicaciones inalámbricas. Partiendo de la investigación básica de la radiación electromagnética, emprendieron su aventura a principios del siglo XX. Estas antenas revolucionaron la forma de captar y transmitir señales por su eficacia y sencillez, lo que las hizo muy populares en diversas aplicaciones.

Al principio, las antenas monopolo desempeñaron un papel fundamental en las primeras etapas del desarrollo de la radiocomunicación. Ofrecían un método sencillo para transmitir y recibir audio a larga distancia. El uso de antenas monopolo se extendió junto con los avances tecnológicos. Eran la opción preferida para las nuevas tecnologías inalámbricas debido a su asequibilidad y versatilidad.

Las antenas monopolo han cambiado con el tiempo para satisfacer las necesidades de un mundo cada vez más interconectado. Hoy en día siguen siendo una parte esencial de la tecnología inalámbrica, ya que permiten la transmisión precisa de datos y la comunicación internacional. Su desarrollo refleja los avances de la tecnología inalámbrica, demostrando su continua aplicabilidad en la era digital.

¿Qué es una antena monopolo?  

La antena monopolo, un tipo de antena de radio, está formada por un único elemento conductor, normalmente un cable o una varilla, situado sobre un plano de tierra conductor. Esta antena es un dispositivo sencillo de un solo hilo que se utiliza ampliamente en sistemas de comunicación inalámbricos tanto para enviar como para recibir señales. Dado que su longitud suele estar diseñada para resonar a una determinada longitud de onda de la señal emitida o recibida, se clasifica como antena resonante.

La varilla conductora de una antena monopolo oscila mediante ondas estacionarias de tensión y corriente a lo largo de su longitud, funcionando principalmente como un resonador abierto para las ondas de radio. Dependiendo de la longitud de onda de radio deseada, la longitud de la antena puede calcularse fácilmente. La antena monopolo tiene una ganancia media de 3,7 dBi y funciona en la gama de frecuencias de 1,7-2 GHz.

Estructura y diseño  

Gracias a sus propiedades únicas, las antenas monopolo son muy útiles para una amplia gama de aplicaciones, especialmente en sistemas de posicionamiento global, donde es esencial una recepción precisa de la señal.

Elemento radiante: Es el elemento principal para enviar y recibir ondas electromagnéticas, y suele ser una varilla vertical o un alambre. El componente fundamental de una antena monopolo es un único dispositivo conductor, conocido como monopolo, que se coloca por encima de un plano de tierra. Este concepto proporciona una onda polarizada verticalmente y es sencillo pero muy eficaz. El patrón omnidireccional de las antenas monopolo en el plano horizontal es un componente crucial que garantiza unas capacidades de recepción y transmisión constantes, independientemente de la orientación de la antena con respecto a las señales del satélite.

Plano de tierra: Red de hilos o superficie conductora que mejora el rendimiento del elemento radiante al servir de superficie de reflexión. Debido a la forma en que están fabricadas, las antenas monopolo necesitan un plano de tierra grande para funcionar bien. Para garantizar una superficie suficiente que contrarreste eficazmente el elemento monopolar, esta necesidad suele afectar a todo el diseño del dispositivo.

Características de diseño: Esto incluye añadir bobinas de carga para minimizar el tamaño físico sin afectar al rendimiento, cambiar la altura y estrecharse para adaptar la impedancia. En el rendimiento de la antena influye mucho la longitud del monopolo, que suele expresarse como un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia. Esta medida se calcula para proporcionar una resonancia óptima y la mayor recepción posible de señales inalámbricas.

Tipos de antenas monopolo  

Hay varios tipos de antenas monopolo, cada una para una aplicación específica:  

Antena de látigo magnética

Un tipo de antena monopolo es la antena látigo, que es extremadamente flexible para evitar que se rompa con facilidad. El nombre de esta antena se inspira en el movimiento de látigo que muestra cuando se la molesta. La parte inferior de esta antena se fija simplemente al transmisor o receptor de radio, y consiste en una varilla o cable recto y flexible.

Estas antenas se suelen fabricar utilizando un conjunto de tubos metálicos telescópicos entrelazados para radios portátiles, lo que permite plegarlas cuando no se utilizan. Los latiguillos más largos, que pueden alcanzar longitudes de 11 metros, se fabrican sobre todo para montarlos en automóviles y otras estructuras que incluyen una varilla flexible de fibra de vidrio con un núcleo de alambre. La longitud de onda de las ondas de radio puede utilizarse para calcular la longitud ideal de esta antena.

Son las antenas monopolo más utilizadas en las bandas de radio VHF, UHF y HF. Se utilizan mucho en radiocasetes, walkie-talkies, dispositivos con Wi-Fi, radios FM, teléfonos inalámbricos y radios portátiles. A ellas se conectan tanto las radios bidireccionales para coches y aviones como las autorradios.

Monopolos en el plano de tierra

La mitad de una antena dipolo se coloca en ángulo recto sobre un plano de tierra conductor para crear una antena monopolo con plano de tierra. No transmite señales por debajo del plano de tierra, aunque funciona de forma similar a una antena dipolo colocada por encima de uno. Las eficaces características de radiación de estas antenas y su facilidad de uso las hacen populares en redes de Internet y comunicaciones móviles. Las antenas monopolo de plano de tierra también son monofocales, lo que las hace muy útiles para conectarlas a transceptores que sean monofocales.

Monopolos de cuarto de onda

Cuando se sustituye un plano de tierra infinito por la mitad de una antena dipolo de media onda, la otra mitad del dipolo se "refleja" en el plano de tierra. El contrapeso es otro nombre para este plano de tierra. Es lo que se conoce como monopolo de cuarto de onda.

El monopolo actúa como un dipolo de "media onda" en todos los sentidos prácticos. En otras palabras, la resistencia a la radiación es la mitad de la del dipolo de media onda, y tiene el mismo diagrama de radiación en forma de donut. Se pueden utilizar los mismos métodos de carga y alimentación, y se puede plegar o doblar como un dipolo.

Monopolos helicoidales

Una antena helicoidal está formada por al menos un hilo conductor trenzado en forma de hélice. Las antenas creadas con al menos dos o cuatro hilos en hélice se denominan cuadrifilares o bifilares, mientras que las diseñadas con un solo hilo helicoidal se conocen como monofilares. Los componentes helicoidales se utilizan para lograr una funcionalidad de banda ancha.  

Monopolos plegados

Este tipo de antena radiante de mástil monopolo es utilizada principalmente por emisoras de radio AM como antena transmisora en el espectro de onda media. El sistema de puesta a tierra de esta antena, que consiste en cables subterráneos, está unido principalmente a un mástil o varilla metálica vertical. En pocas palabras, el mástil está rodeado de cables verticales conectados eléctricamente en la parte superior. Un anillo metálico cerca de la base del mástil simplemente conecta estos cables, y la electricidad de la línea de alimentación del transmisor se conecta entre el anillo y el suelo. Cuando una emisora de radio AM comparte torre con otras antenas, como las de radiodifusión FM, ésta es la opción ideal.

Monopolos acortados con bobinas de carga

Cuando las limitaciones de espacio impiden utilizar una antena de longitud completa, especialmente a bajas frecuencias, un "monopolo acortado con una bobina de carga" es una antena vertical (monopolo) que es físicamente más corta que un diseño típico de un cuarto de longitud de onda. Sin embargo, al añadir un inductor (bobina de carga) en serie en su base, se hace que la antena resuene a la frecuencia deseada, "alargándola" eléctricamente y permitiéndole funcionar a una longitud física más corta. El objetivo es mantener la resonancia y ahorrar espacio.  

Adaptación de impedancias  

La antena transfiere eficazmente la energía entre el dispositivo radiante y la línea de transmisión mediante la adaptación de impedancias. La adaptación de la impedancia de las antenas monopolo suele implicar la modificación de la longitud del elemento radiante o la adición de elementos como stubs de sintonización, baluns o redes de adaptación. Para que la antena funcione con la mayor eficacia posible en la banda de frecuencias prevista, debe fabricarse con la impedancia adecuada para el entorno del usuario final. Un alcance máximo, un bajo consumo, menos calentamiento y un flujo de datos fiable son los resultados de una eficiencia óptima. Para garantizar que la máxima potencia se entrega desde el circuito de RF a la antena con la menor cantidad reflejada, la impedancia de entrada de la antena debe ajustarse a 50 Ω.

¿Necesita un plano de tierra una antena monopolo?  

No, en las antenas monopolo que funcionan a frecuencias inferiores a 20 MHz, el plano de tierra suele ser la Tierra; en este caso, la antena es un mástil vertical que se coloca en el suelo y se aísla eléctricamente de éste mediante un aislante. La línea de alimentación está conectada a una toma de tierra en la base de la antena por un lado y al mástil por el otro. En las antenas de transmisión se utiliza con frecuencia una red radial de cables enterrados que se extienden hacia el exterior desde una terminación cercana a la base de la antena para reducir la resistencia a tierra. Para la radiodifusión en las bandas MF y LF, este diseño se utiliza para antenas transmisoras con radiador de mástil. La antena en T y la antena paraguas son ejemplos de monopolos con carga superior capacitiva que se utilizan para aumentar la eficiencia y la potencia radiada porque el mástil de la antena es eléctricamente corto a bajas frecuencias, lo que resulta en una baja resistencia a la radiación.

Los planos de tierra artificiales se utilizan para poder instalar la antena por encima del suelo porque el tamaño del plano de tierra necesario es menor en las frecuencias de VHF y UHF. Una antena de látigo de un cuarto de onda con un plano de tierra formado por tres o cuatro alambres o varillas largas de un cuarto de onda que irradian horizontal o diagonalmente desde su base conectada al lado de tierra de la línea de alimentación. Este es un tipo común de antena monopolo ejemplo en estas frecuencias para el montaje en mástiles o estructuras. La superficie metálica de la carrocería de un avión o del techo de un coche constituye un excelente plano de tierra a frecuencias de gigahercios. Las antenas de telefonía móvil de los coches están formadas por látigos cortos montados en el techo, y las antenas de comunicación de los aviones suelen estar formadas por un conductor corto en un carenado aerodinámico que se extiende desde el fuselaje. Es lo que se conoce como antena de pala. 

Las antenas monopolo también incluyen las antenas de látigo de goma y de cuarto de onda utilizadas con radios FM portátiles y walkie-talkies. El lado de tierra del transmisor en estos dispositivos portátiles se conecta simplemente a la conexión de tierra de su placa de circuitos; la antena carece de un plano de tierra efectivo. La combinación de antena y tierra puede funcionar más como una antena dipolo asimétrica que como un monopolo, ya que la tierra de la placa de circuitos suele ser más pequeña que la antena. Un simple plano de tierra podría ser la mano y el cuerpo de la persona que los sujeta.

Patrón de radiación de una antena monopolo  

Para identificar claramente la función y directividad de la antena, el diagrama de radiación es una representación del frente de onda de emisión o recepción de la antena que especifica su potencia. Cuando la antena emite potencia, se ven afectadas tanto las regiones de campo lejano como las de campo cercano. A partir de cualquier antena, el diagrama de radiación puede representarse gráficamente como una función de la distancia radial y la ubicación angular.
Debido a su diagrama de radiación omnidireccional, la antena monopolo emite electricidad en todas las direcciones verticales a ella. Al reducir la radiación a cero en el pico del eje de la antena, la potencia radiada de la antena varía con el ángulo de elevación. Emite ondas de radio polarizadas verticalmente.

La densidad de potencia radiada a una elevación dada es directamente proporcional a la distancia radial de la línea desde la fuente a cualquier ángulo de elevación. Dentro de una densidad de potencia comparable a la de un monopolo de cuarto de onda e isótropa en decibelios, el eje radial se modifica.

¿Para qué sirve una antena monopolo? (Aplicaciones)  

Las antenas monopolo se utilizan en diversos contextos, como dispositivos portátiles y sistemas montados en vehículos. Son una opción deseable para los fabricantes que quieren añadir dispositivos de comunicación inalámbrica de calidad sin ampliar significativamente su tamaño ni cambiar su aspecto, gracias a su versatilidad y a unos costes de producción razonablemente bajos.

En cuanto a las aplicaciones, el rendimiento constante y fiable de las antenas monopolo beneficia a clientes que van desde los proveedores de servicios de navegación hasta los usuarios de teléfonos inteligentes. Su sencillez fundamental no disminuye su potencia, sino que pone de relieve la elegancia de un sistema bien diseñado que proporciona una transmisión precisa de forma constante y eficiente.

• Diversas industrias, como la ciencia espacial, la tecnología de radar, la investigación biomédica, etc., utilizan antenas monopolo.
• El monopolo se utiliza habitualmente como antena resonante, ya que su varilla actúa como resonador abierto, especialmente para las ondas de radio, y fluctúa mediante ondas estacionarias de tensión y corriente a lo largo de su longitud. Por tanto, la longitud de onda de las ondas de radio seleccionadas es el único factor que determina las longitudes de antena.
• Los sistemas de comunicación inalámbrica hacen un gran uso de este tipo de antenas.
• Para aplicaciones portátiles, se construye y utiliza una antena monopolo pentagonal de bajo perfil.
• Esta antena se utiliza ampliamente en radios AM/FM portátiles, automóviles, etc.
• Las aplicaciones de doble banda, multibanda y UWB (banda ultraancha) utilizan antenas monopolo, que son increíblemente eficaces, baratas y de perfil bajo.

Antena monopolo frente a antena dipolo  

Aunque tanto las antenas monopolo como las dipolo son de tipo resonante, difieren en su diseño y aplicación:  

• Una antena monopolo utiliza un solo poste o elemento conductor y está formada por una varilla conductora recta que se coloca verticalmente sobre un plano de tierra real. En cambio, una antena dipolo transmite o recibe energía de radiofrecuencia mediante dos polos o elementos conductores separados por el centro.
• La antena dipolo emplea un plano de tierra sintético formado por sus elementos radiadores simétricos, mientras que la antena monopolo depende de un plano de tierra, actuando como referencia de tierra el conductor externo de un cable coaxial.
• El diagrama de radiación omnidireccional de una antena monopolo ofrece una cobertura uniforme en el plano horizontal. Por otro lado, los elementos radiadores de la antena dipolo, que están desfasados 180° con respecto a los conductores interior y exterior del cable coaxial, proporcionan un diagrama de radiación que es verticalmente simétrico.
• Mientras que las antenas monopolo están disponibles en un número limitado de formas y variedades, las dipolo son muy utilizadas y existen en una amplia variedad.

Ventajas y desventajas  

Ventajas  

Las antenas monopolo son la opción preferida para muchas aplicaciones de comunicación inalámbrica porque ofrecen una serie de ventajas significativas frente a otros tipos de antena. Destacan por su facilidad de uso, asequibilidad y eficacia en la transmisión y recepción de señales, lo que garantiza que sean esenciales para el funcionamiento de una amplia variedad de dispositivos.

• Tamaño y diseño compactos: son conocidos por su diseño sencillo. Esta facilidad de uso facilita su incorporación a aparatos como la tecnología ponible, los teléfonos inteligentes y los sistemas de navegación para automóviles. A diferencia de otros tipos de antena más complejos, los monopolos pueden funcionar eficazmente sin necesidad de grandes superficies ni estructuras complejas. Gracias a su pequeño tamaño, los fabricantes pueden mantener la portabilidad y elegancia de los dispositivos sin sacrificar la calidad de la señal.

• Alta calidad de señal - En entornos urbanos, donde las interferencias multitrayecto pueden afectar gravemente a la calidad de la señal, las antenas monopolo son bastante eficaces. Gracias a su capacidad natural para reducir el ruido y mantener una señal potente, proporcionan una conectividad fiable a los usuarios que navegan por entornos urbanos difíciles.

• Rentables - A diferencia de las antenas más complicadas, su sencillo diseño elimina la necesidad de materiales costosos y procedimientos de fabricación que llevan mucho tiempo. Por su rentabilidad, las antenas monopolo son una opción deseable para los fabricantes que quieran crear dispositivos de comunicación inalámbrica de alta calidad a un precio razonable.

• Alto rendimiento - Debido a sus ventajosos patrones de radiación y capacidades de ancho de banda, las antenas monopolo rinden notablemente más. Pueden enviar y recibir eficazmente señales de satélites con pérdidas insignificantes, garantizando datos geográficos fiables y precisos.

• Transmisión eficaz - La impedancia reactiva de una antena monopolo es comparativamente alta en la mayor parte de su gama de frecuencias. Puedes cambiar la impedancia sin sacrificar la sensibilidad colocando un amplificador activo con una impedancia de entrada alta.

Desventajas  

• Radiación deficiente - Cuando una antena monopolo irradia por igual en todas las direcciones a lo largo del plano horizontal, significa que la energía se distribuye uniformemente. Por lo tanto, la intensidad de la señal en cualquier dirección no es muy fuerte, a pesar de que esta característica omnidireccional es útil para aplicaciones que necesitan una amplia cobertura.

• Interferencias - Los objetos metálicos cercanos y el suelo pueden provocar reflexiones de la señal, que interfieren con la trayectoria de la señal primaria. Estas reflexiones podrían dar lugar a la recepción o transmisión de señales en polarizaciones inesperadas (tanto vertical como horizontal), degradando potencialmente la calidad de la señal y causando interferencias multitrayecto.

• Necesidad de un plano de tierra - Las antenas monopolo requieren un plano de tierra que suele ser proporcional a la longitud de onda de funcionamiento. Esto puede dar lugar a planos de tierra grandes y voluminosos para frecuencias más bajas, lo que dificulta su despliegue en entornos con espacio limitado o en dispositivos pequeños.

• Errores de calibración: calibrar antenas monopolo dentro de cámaras blindadas puede resultar complicado, ya que sus impedancias pueden diferir en órdenes de magnitud. Las mediciones realizadas demasiado cerca del plano de tierra o de la punta de la antena pueden ser inexactas.

Aplicaciones en sistemas de comunicación  

Para garantizar una conectividad fiable en la red de comunicaciones inalámbricas, las antenas monopolo son esenciales. Para conseguir enlaces de comunicación fiables, estas antenas son esenciales porque pueden recibir y enviar señales en un patrón horizontal de 360 grados. En entornos urbanos, donde los obstáculos pueden impedir el flujo de la señal, esta característica es especialmente útil.

• Las antenas monopolo son ahora una parte crucial del desarrollo y funcionamiento de los sistemas GNSS/GPS debido a su sencillo diseño y asequibilidad. Al reconocer su función esencial en la comunicación inalámbrica, podemos aprovechar el potencial de nuevos avances en los servicios de geolocalización, aumentando su fiabilidad y accesibilidad para los usuarios de todo el mundo.

• También se utilizan para emitir señales de televisión por aire debido a su facilidad de funcionamiento y a la eficacia de sus patrones de emisión. Estas antenas garantizan una transmisión fiable de la señal a hogares y empresas, especialmente en zonas que carecen de conectividad por satélite o cable.

• Dado que las antenas monopolo pueden transmitir señales uniformemente en todas las direcciones horizontales, se emplean con frecuencia en torres de transmisión de AM/FM. Gracias a su cobertura omnidireccional, las emisiones de radio pueden llegar a grandes audiencias tanto en zonas urbanas como rurales.

Conclusión  

En conclusión, debido a su facilidad de uso, eficacia y versatilidad, las antenas monopolo siguen siendo un componente fundamental de la tecnología de la comunicación. Su amplia gama de usos, desde la radiodifusión hasta las redes inalámbricas contemporáneas, y su relevancia histórica ponen de relieve su importancia en el desarrollo de la tecnología. Sus ventajas las hacen inestimables en el campo de la comunicación, en rápido crecimiento. A partir de este artículo, los usuarios pueden entender qué es una antena monopolo y sus características de diseño, al tiempo que comparan sus ventajas e inconvenientes y sus aplicaciones para mejorar aún más sus soluciones tecnológicas.